流固耦合|01流固耦合分类

导读：介绍流固耦合（Fluid Structure Interaction）的分类。

流固耦合定义      

     

当流体流动与固体结构相互作用时，仿真计算就会涉及到流固耦合。

• 流动会产生压力或者热负荷，可能导致结构显著的变形，足以改变流体流动本身（双向相互作用）；或者变形量很小，对流动影响很小（单向）。
• 固体受外力作用发生变形或移动，驱动流体流动，或对流体带来热负荷，同样也存在单向/双向相互作用。

计算方法      

     

FSI可以根据流场跟固体场之间的物理耦合程度进行分类，物理上强耦合的场需要强数值耦合，相对独立的解场可以用较弱的耦合甚至非耦合方式（单向）求解。1、Fully Coupled（完全耦合）

• 体跟固体场的控制方程需要在同一个求解矩阵求解，就像是在fluent中连续方程与流动方程耦合求解。

• 之间保持紧密的耦合。

• 难以求解，无法适用mechanical-fluid耦合。

2、2-way Iteratively Implicit（双向迭代隐式）

• 流体跟固体场的控制方程分别求解，就像湍流方程与CFD中的动量方程没有完全耦合一样，通常求解器也是分离的。

• 在每个时间步长内迭代，得到一个隐式解（“交错循环”）。

• 可用mechanical-fluid耦合。

3、2-way Explicit（双向显式）

• 与隐式类似，除了在时间步内流体和固体场之间没有迭代。

• 固体场的计算是基于前一个时间步流体场的计算结果，反之亦然。

• 可以在mechanical-fluid使用单一耦合迭代，通常不推荐。

• 更少的求解步数。

4、1-way（单向）

• 得到了一个场的收敛解，然后作为第二个场的边界条件或外部载荷

• 适用于弱物理耦合。

• Mechanical – Fluent中自动数据传输，易于实现。

显式与隐式      

     

在FSI耦合的中，隐式方法和显式方法不要与“隐式求解器”或“显式求解器”相混淆，“隐式/显式求解器”指的是对方程中的瞬态项是否使用隐式/显式公式。

FSI中，显式表示流体场和固体场分别求解，在一个时间步长内没有耦合迭代；

隐式意味着流体场和固体场之间的依赖关系在一个时间步长内收敛。通过耦合迭代=迭代隐含；通过使用一个单一的流体-固体矩阵=完全耦合（和自然隐式）

Workbench中的FSI      

     

1、 静态数据传输

Fluent/Mechanical运行完成，然后使用结果生成Fluent/Mechanical的载荷/边界条件；通常是单向耦合。

2、 协同仿真

Fluent和MAPDL求解器同时运行，以交换数据；单向或双向都可以。

协同仿真也包括其他形式，具体如下：